9.6.3. ПОЛУЧЕНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ

Развитие кристаллической интегральной оптики требует создания элементов управления оптическим лучом в поверхностных слоях кристаллов. Такие элементы управления могут быть созданы на основе регулярных доменных структур. Наиболее часто РДС в приповерхностных слоях используются для реализации взаимодействия при генерации оптических гармоник [57, 58]. Основными методами получения доменных структур в приповерхностных слоях являются диффузионные методы и сканирование поверхности кристалла электронным пучком.

Для получения РДС в приповерхностных слоях диффузионными методами используется легирование поверхности кристалла через маску. Легирование проводится так же, как и при получении поверхностных волноводов. Для кристаллов и это либо Ti-диффузионная технология, либо технология протон-замещения.

Для получения РДС с помощью Ti-диффузионной технологии [59] в кристаллах на поверхность кристалла через маску, созданную с помощью фотолитографии, напыляются полоски титана толщиной 5 мкм. Ширина полосок и расстояние между ними составляют несколько микрон и определяются когерентной длиной для генерации оптических гармоник. Напыление Ti проводится на положительную поверхность -среза Для проведения диффузии титана кристаллическая пластинка нагревалась до температуры при которой проводилась выдержка в течение после чего печь выключали и кристалл охлаждался вместе с печью. В результате в тех областях, в которых прошла диффузия титана, проходит переполяризация и образуется регулярная доменная структура с заданным периодом. В дальнейшем на пластине с РДС может быть создан технологией протон-замещения оптический волновод в направлении, перпендикулярном доменным стенкам. В таком волноводе обеспечивается квазисинхронное взаимодействие для генерации второй гармоники полупроводниковых лазеров.

Технология протон-замещения используется и для создания РДС как для акустоэлектроники [18], так и для нелинейной оптики [60]. Этот метод получения РДС наиболее полно изучен на примере кристаллов Последовательность операций при получения РДС методом протон-замещения на пластинах показана на рис. 9.33. Процесс получения РДС включает:

1. Напыление на тщательно полированную и очищенную поверхность -среза маски из тантала, защищающей те области, в которые не должна проходить диффузия водорода. Для получения РДС маска представляет собой полоски тантала, ширина и расстояние между которыми определяются когерентной длиной для генерации

Рис. 9.33. Последовательность операций при получении РДС методом протон-замещения [60]: а - напыление тантала; б - травление; в - протон-замещение; г - термообработка

оптических гармоник. Нанесение маски и последующая диффузия протонов проводится на отрицательной стороне -среза.

2. На поверхность, покрытую маской, наносится диффузант. В качестве диффузанта используются бензойная или пирофосфорная кислоты. Предпочтение отдается пирофосфорной кислоте из-за ее высокой температуры кипения и низкого давлении паров при температурах, близких к кипению [60].

3. Процесс протон-замещения проводится при в течение 50 мин, после чего температура пластины повышается до температур, близких к Тк, и выдержке при этих температурах в течение 10 мин.

В результате при протоны замещают литий, образуя области с резким концентрационным профилем проникновения протонов на глубину около 0,2 мкм. В этих областях происходит значительное изменение показателя преломления что мешает последующему получению на этих поверхностях оптических волноводов с малыми потерями. Для снижения оптической неоднородности после кратковременной выдержки при температуре, близкой к , рекомендуется провести более длительный отжиг при меньших температурах Этот отжиг сглаживает концентрационный профиль и уменьшает После снижения температуры пластины до комнатной области, в которых прошел процесс протон-замещения, оказываются переполяризованными на глубину до нескольких микрон. Таким образом, в приповерхностном слое кристалла формируется РДС с периодом, заданным периодом маски.

Глубина проникновения протонов в кристалл и, следовательно, глубина инверсии спонтанной поляризации (глубина проникновения доменов) описывается законом Аррениуса

где для диффузии протонов.

Инверсия поляризации в происходит в основном в процессе отжига при температурах, близких к Тк, но начинается зарождение доменов уже при температуре протон-замещения, т.е. при температурах, гораздо меньших Тк. В процессе протон-замещения при 260 °С в течение 30 мин появляются иглообразные домены с расстоянием между доменными стенками не более 1 мкм [61]. Если протон-замещение и термообработка после протон-замещения проводятся так, что в кристалле возникает градиент температур, направленный от поверхности, на которой формируется РДС, то удается получать РДС на глубину до 40 мкм от поверхности. Требуемый градиент температур возникает, если подложку, в которой проводится протон-замещение, положить стороной, противоположной той, на которую нанесен диффузант, на горячую (нагретую до 260 °С) пластину. Возникающая в этом случае доменная структура может быть использована для генерации гармоник оптического излучения, введенного в кристалл непосредственно без оптического волновода. Такие же РДС могут быть созданы в кристаллах в результате протон-замещения в течение 16 мин при 230 °С, т.е. при температуре, гораздо более низкой, чем температура Кюри. Возникающие при этом домены похожи на иглообразные домены, образующиеся при переполяризации кристаллов под действием высоких напряжений при низких (комнатных) температурах.

Механизм получения РДС диффузионными методами не вполне ясен. Известно, что снижение отношения приводит к снижению Тк и в танталате, и в ниобате лития. Протон-замещение снижает концентрации , следовательно, снижает . Однако то, что пере-поляризация при диффузионной технологии возможна при температурах, гораздо более низких, чем нижний предел для означает, что понижение Тк не является основной причиной образования доменов. Для выяснения влияния пирополя сравнивалось образование РДС при протон-замещении в двух пластинах. У одной из этих пластин противоположная к РДС сторона была покрыта пленкой хрома и заземлена. В такой пластине пирополе отсутствует.

Сравнение РДС, полученных в этих пластинах, показало, что в заземленной пластине глубина РДС меньше, однако РДС образовывалась и в заземленной пластине [60]. Этот факт позволил утверждать, что пирополе влияет на образование РДС, но это влияние не является определяющим. В тех же экспериментах было обнаружено, что зарождение доменов происходит на границе между подложкой и областью, обогащенной примесью (протонами), затем домен прорастает к поверхности пластины и в процессе отжига при повышенных температурах разрастается в ширину. Это дало основание полагать, что к переполяризации приводят силы, возникающие на границе легированной области и чистого кристалла.

Рис. 9.34. Формирование объемного заряда при протон-замещении, приводящее к переполяризации [62]

Более надежной выглядит модель, рассматривающая в качестве основной причины образования РДС объемный заряд, возникающий при диффузии примеси в кристалл [62]. Схема формирования объемного заряда показана на рис. 9.34. Протоны, диффундируя в кристалл со стороны -с, создают положительный объемный заряд, который нейтрализуется свободными электронами со стороны внешней поверхности. Такое распределение зарядов приводит к появлению электрического поля, направленного к поверхности кристалла. Это поле в с приповерхностной области противоположно направлению Р, и приводит к переполяризации. Эта схема согласуется с тем, что при диффузии в ниобат лития РДС формируется со стороны так как замещая создает отрицательный заряд.